飞马激光雷达在公路断面测量中的应用

1、项目背景

宣商高速公路是连接安徽省和河南省的一条高速通道,起点为铜陵高速公路宣城北环段,终点为河南商城,沿线途经有宣城、铜陵、无为、合肥、舒城、霍山、商城。

其中舒城县境内长约26.16公里,涉及千人桥镇、桃溪镇、柏林乡、棠树乡四个乡镇其中:桃溪镇南设有桃溪互通,与G206相衔接:柏林乡设有舒城北枢纽,与在建德上高速相接。金安段境内约30公里。在六安市金安区内,设置两处互通出入口,一处位于施桥境内(宣商高速与G237金舒大道交口),第二处位于东河口境内(宣商高速与六毛路交口)。

 



本项目位置图

 

宣商高速舒城段济广高速枢纽断全线约67.3公里,本次项目起始设计里程为K12+000-K79+300.项目全线尤其是金安段境内植被茂密,地形崎岖,常规工程测量手段人工作业效率低,危险性高且工期短等问题。

为此我公司在本项目断面测量中引用机载激光雷达技术,项目以D2000无人机为平台,搭载lidar2000激光雷达对沿线断面范围内区域进行扫描,使用飞马无人机管家软件进行点云数据处理,并通过RTK实测数据随机抽检精度。

2、技术路线

1)宣商高速金安段进行航飞,起始设计里程为K55+000-K79+300,总长度为24.3公里;将全测区分为5个区块开展航飞工作。

2)宣商高速舒城段桃溪互通、柏林互通;金安段东河口互通、施桥互通;根据桥梁分布位置分为4个区块开张航飞工作。

本次工作共计9个区块。

 

2.1、外业数据获取

将本次航飞路线kml导入飞马无人机管家“智航线”模块,根据测区的地形起伏和精度要求,结合现场踏勘结果及所使用的机载激光雷达设备固有的技术参数,适当扩大航飞范围,自动生成最佳航线,航线设计如图:

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航线规划示意图

 

我公司以无人机搭载激光雷达进行测量,实际航飞时为提高作业效率,利用了夜间作业,缩短数据获取周期。仅利用了1个工作日,就完成了外业数据采集的工作。 

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航空摄影数据采集

 

2.2、内业数据处理

 

2.2.1 激光点云数据预处理(智激光)

 使用飞马无人机管家及IE软件进行激光点云的数据解算;流程入下:

 1)解算飞行轨迹;

 2)依次进行激光点云数据解算、特征提取、航带平差、点云去澡、点云去冗余、精度检核、质量检查等操作,生成具有三维地理空间坐标的激光点云,为后期的纵横断面测量应用提供数据基础。解算后点云效果如下图所示:

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部分点云成果

 

其中点云质量检查主要通过点云高程精度、点云密度、点云线面位置精度及航带间公共点差值。


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点云质量检核

 

   2.2.2 点云分类(智点云)

    利用飞马无人机管家的智点云模块进行地面点云分类处理,然后自动提取纵横断面图.

    地面点分类,智点云的分类选项具有简单易操作的特点,常用的选项已经预制,我们只需要进行选择即可。(小贴士:地面点分类是干什么的?目的是将地面点进行分类,过滤掉植被、房屋等非地面点。)


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2)点云分类前                              点云分类后地面点

 

2.2.3 纵横断面图生成

 

为解决传统道路断面测量方式的弊端,飞马无人机管家智点云模块推出了自动提取纵横道路断面功能。其处理流程主要分为两种方式:

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本次项目采用的是导入里程点作业流程:


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根据里程点数据生成指定宽度的横断面线,并根据点云数据对断面线按照采样距离进行内插,计算该位置的实际地面高程,通过角度阈值对断面线进行抽稀,最终生成断面图。


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断面线、图生成

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查看断面图

2.2.4 成果输出

 

断面图生成完毕,确认图形无误后,点击导出即可进行成果输出,可导入第三方软件进行应用。


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成果输出界面

软件支持导出 CASS 格式(DXF 格式)的断面示意图数据,其中包含道路整体设计图,各个道路横断面图,以及不同比例尺下的道路纵断面图;同时也支持导出纬地格式(.HDM .DMX 格式)数据。

 

3、输出成果

  

本项目自2022年6月3日开工至2022年6月5日完工,前后仅用三个工作日时间。获得的成果如下:

1. 约25公里的激光雷达点云数据

2. 24.3公里纵断面DMX文件

3. 24.3公里横断面HDM文件

 

4、引申

  我公司曾于今年的5月份参与断面测量的工作中。主要负责对于道路沿线断面范围内点云数据的采集。项目全线大约45公里,高差大,沿线地区均为高山峡谷,还有部分地区为无人区,常规测量手段在此类地区存在仪器信号差、人工作业效率低、危险性高等问题。我公司利用飞马d2000搭载lidar2000对于测区进行数据采集。

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测区范围

 

 

项目区内高差剧烈且待测工程基本布置于陡坡区域或者山谷两侧,定高飞行会造成峡谷内无回波或回波质量不佳,为避免点云数据的空间分布不均,保证数据精度,航线规划以“变高航线”方式展开,确保航飞数据能够采集足够数量和密度的点云。

 

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        部分航线规划示意图

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   航飞数据采集

 

由于测区内没有千寻信号,我们是采用的使用GNSS设备同步在控制基站上采集静态数据的方式进行解算。

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点云精度

 

 

5、项目总结

 

项目采用机载lidar2000激光雷达进行地面点数据获取,并通过飞马无人机管家进行断面数据的提取。完美的完成了任务。

经过本次实践,飞马无人机D2000搭载激光雷达D-lidar2000进行断面测量工作主要优势在于:

1)工作效率极大的提升。本项目工期紧,任务量大,以传统测量方式无法在规定的范围内完成断面测量工作,利用LiDAR技术,外业工作效率提高数倍以上,且激光雷达对薄云和植被有一定的穿透能力,若只需获取激光点云数据,其航飞作业对天气要求较低,可在阴天甚至夜间作业,缩短数据获取周期。

2)安全性更高,并能极大地减少外业花费的人力、物力,大幅提高工作效率。在地形复杂、外业实测人员很难安全到达区域,机载雷达的优势更加明显。

3)提高测量数据的精度。采用此方法,LIDAR点云密度大,地形还原基本与实际地形形态一致,断面数据整体表现优于外业实测表现结果。

4)采用高精度、高密度的雷达点云数据提取纵横断面,具有自动化程度高、精度高、速度快等优势。

5)数据重复利用率高,获取的点云数据及DEM数据,信息量足够,在工程进行中亦能有效的重复使用。